JPH0398767A - メタルボンド工具の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は炭素を含有する鉄基合金と、高硬度を有する砥
粒との焼結体から或る砥粒層を有するメタルボンド工具
の製造方法に係り、特に従来の工具が有する研削特性を
損うことなく焼結性を改善し、圧縮成形用金型の寿命を
延伸するとともに焼結時間を短縮して製造効率の向上を
図ったメタルボンド工具の製造方法に関する。

（従来の技術） 酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭
化ケイ素などの高硬度ファインセラミックスの研削加工
、仕上加工に使用される研削工具として、砥粒にダイヤ
モンドを使用したメタルボンドダイヤモンド工具が、従
来より広く用いられている。

またバナジウム（Ｖ）を含む高速度鋼やマルテンサイト
系ステンレス鋼などの難削合金材の研削加工や仕上加工
においては、砥粒として立方晶窒化硼素（以下ｒＣＢＮ
Ｊと略称する。）をマトリックス中に分散させたメタル
ボンド窒化硼素工具が使用されている。

上記のようなメタルボンド工具のうち、例えば砥粒にダ
イヤモンド粉末を用いるメタルボンドダイヤモンド工具
は、一般に金属粉末および必要により金属化合物を含む
金属粉末とダイヤモンド粉末砥粒とを混合した後に焼結
して形成される。この焼結操作によってマトリックスと
ダイヤモンド粉末砥粒との結合力、機械的強度の向上が
図られ、形成されたメタルボンドダイヤモンド工具は、
適宜ドレッシングによって砥石表面を再生しながら研磨
・研削用工具として使用されている。

ところで、切込み深さが大きい重研削加工に適したメタ
ルボンドダイヤモンド工具の場合、マトリックスの原料
としては、炭素含有量が大きな鉄基合金鋳造材の切粉を
、ボールミルまたはスタンプ法などで粉砕した粉末が使
用される。この高炭素鉄基合金粉末にダイヤモンド砥粒
を均一に混合し、アルゴンなどの不活性ガスによる保護
雰囲気において温度８００〜１１８０℃、圧力２００〜
４　０　０　ｋｇ／ａｌ程度の条件でホットプレスを行
ない、砥粒層を形成している。砥粒の周囲には炭素粒子
が分散するように固定される。この炭素粒子は研削対象
物との研削抵抗を低減する潤滑材として働く一方、マト
リックスはダイヤモンド砥粒を支持固定する保持材とし
て機能する。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来のメタルボンド工具の製造方法にお
いては、潤滑材としての炭素を多量に含有した高硬度の
鉄基合金粉末を原料として使用しているため、焼結性が
低いという問題点がある。

すなわち、ホットプレスによって合金粉末と砥粒との混
合物を加圧成形して焼結する際には、前記のように高い
温度と大きな加圧力とを長時間作用させて焼結を完結さ
せる必要があり、製造効率が低くなる傾向があった。ま
た作用させることが可能な全加圧力の大きさによって、
製作することができる成形体の容積が制限され、比較的
小型の工具しか製造できないという問題もあった。

また高温度焼結はマトリックスと砥粒との過剰な界面反
応を生起し、強度の低下が起こり易く、さらに焼結後の
焼き縮みや脹れによる寸法変化が大きく、工具としての
ツルーイングやドレッシングが煩雑になる場合が多い。

さらに成形用金型に高温度と大きな加圧力とが作用する
ため、高価な金型の損耗が著しく、金型の再研磨および
交換を高頻度で行なう必要があった。

一方、従来の製造方法においては、砥粒の平均粒径に対
して比較的大きな平均粒径を有する鉄基合金粉末を使用
しているため、砥粒の支持材となる鉄基合金粉末を、砥
粒の周辺に均一に分散配置することが困難な部位が発生
し、砥粒同士が隣接してマトリックス中に固定される割
合が高かった。

そのため砥粒の保持強度が十分確保されず、研削時に砥
粒が脱落し易く、研削特性が低下して高い仕上げ精度が
得られない上に、工具としての寿命が短いという欠点が
あった。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
あり、従来法によって製造されたメタルボンド工具の研
削特性を損うことなく、従来法と比較して焼結性を改善
し、特に圧縮成形用金型の寿命を延伸するとともに、製
造効率を向上し得るメタルボンド工具の製造方法を提供
することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段と作用） 本願発明者等は、マトリックスの原料となる鉄基合金粉
末の焼結性を高め、寿命の長いメタルボンド工具を得る
ことを目的にして、焼結性を高める方法を研究し、さら
に砥粒層の研削特性に及ぼす合金粉末の粒径や砥粒の種
類および粒径の影響を研究した。

その結果、原料となる鉄基合金粉末に対して予め加工度
５％以上の塑性変形加工を施し、しかる後に鉄基合金粉
末と砥粒との混合物を圧縮成形し一体に焼結して砥粒層
を形成したときに、従来と比較して焼結性が格段に優れ
、また研削特性が同等またはそれ以上のメタルボンド工
具を得ることができた。

またマトリックスとなる鉄基合金粉末の焼結前の平均粒
径を砥粒の平均粒径の１／３以下に設定したときに、強
固なマトリックスが形成され、砥粒および炭素粒の脱落
が効果的に抑制され、寿命の長い砥粒層を得ることがで
きた。

本発明は上記知見に基づいてさなれたものである。本発
明方法において使用する鉄基合金粉末としては、Ｆｅを
基材として他に必要に応じてＮｉ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｚｎ，
Ｍｇ，Ａ　　，Ｍｎ，Ｃｒなどの金属元素を添加した合
金材が使用される。合金材の組成は、必要とされるマト
リックスの強度、伝熱性等を勘案して決定されるが、一
般に砥粒の保持強度を高めるために、２種以上の金属を
複合化させた合金材が使用される。

合金材を粉末化する手段としては、例えば合金材の鋳塊
片をボールミル、スタンプミルによって粉砕する方法や
合金材を溶湯噴霧法等の通常の急冷法を使用して微細化
する方法がある。

上記溶湯噴霧法は、原料合金材の溶湯を、ガス噴霧、水
噴霧、遠心噴霧等によって粉体化する方法であり、噴霧
条件により適当な冷却速度と粉末粒径になるように調整
して、所望の原料粉末を得る方法である。

次に上記のようにして調製された鉄基合金粉末に５％以
上の加工度をもって塑性変形加工を施す。

塑性変形加工法としては、スタンプによって合金粉末を
機械的に粉砕したり、変形を起こすスタンプ法や圧延機
に合金粉末を通して変形を与える粉体圧延法などが採用
される。

ここで加工度は塑性変形加工前後における合金粉末粒の
平均断面積の減少率で表わし、本発明方法では５％以上
に設定される。５％以上の加工度で合金粉末に塑性変形
を加えると、合金粉末粒子内の結晶構造が大きくひずみ
、変形によるエネルギが蓄積され、粉末表面が活性化さ
れる結果、焼結性が極めて良くなる。一方、５％未満で
は焼結性の改善効果が少ないため、加工度は５％以上に
設定される。

次に塑性変形加工が施された合金粉末は、所定粒径の砥
粒と均一に混合された後にホットプレス装置の成形型に
移され、真空またはアルゴンなどの不活性ガスなどの保
護雰囲気において、圧縮成形され、さらに一体に焼結さ
れる。このとき合金粉末表面は加工ひずみによって活性
化されているため、比較的低い焼結温度で、また小さな
加圧力で短時間内に所定形状の焼結体を形成することが
できる。

この焼結操作によって、合金粉末は相互に融着し、強固
なマトリックスを形成するとともに、合金粉末中に均一
に分散されていた砥粒がマトリックスによって強固に固
定される。

この場合、焼結操作前の合金粉末の平均粒径は砥粒の平
均粒径の１／３以下に設定することが好ましい。これは
粒径比が１／３を超えると、砥粒の分布が不均一となり
、砥粒の表面近傍に金属粉を均一に配置することが不可
能であり、砥粒同士が接する部分が増大し、成形性を劣
化させるばかりでなく、研削中の砥粒の脱落を招き、工
具としての研削・研磨能力が低下するからである。

また砥粒としては、ダイヤモンド粉末の他にＣＢＮを混
合して使用することもできる。ダイヤモンドおよびＣＢ
Ｎのヌープ硬さはそれぞれ、８５００．５１００｝ｃｇ
／一以上といずれも極めて高い硬度を有し、難研削材の
加工用砥粒として有用である。特にＣＢＮ砥粒は、耐熱
性に優れているため、冷却材を使用しない乾式加工用砥
粒として急速に用途を拡大している。

このように本発明に係るメタルボンド工具の製造方法に
よれば、焼結体を形成する鉄基合金粉末に予め塑性変形
加工を施して加工ひずみを生起せしめ、合金粉末表面の
活性を高めているため、焼結性が大幅に向上する。

そのため塑性変形加工を施さない従来の製造方法と比較
して、成形焼結工程における加圧力および焼結温度を大
幅に低減することが可能となり、使用する成形用金型の
寿命を著しく延伸することができる。

また焼結を完結させるために必要な時間も短縮すること
が可能となり、工具の製造効率を向上させることかでき
る。さらに、低温焼結となるため、マトリックス材と砥
粒との過剰な界面反応が起こりにくい。また焼結後の焼
き縮みや脹れによる寸法変化が少なく、工具としてのツ
ルーイングやドレッシング作業を省略したり、著しく簡
素化することができる。

また、マトリックスを形成する金属粉末と、ダイヤモン
ドおよびＣＢＮの少なくとも一方から成る高硬度の砥粒
とを焼結によって強固に結合して砥粒層を形成している
ため、砥粒の保持力が大きく、良好な研削仕上面が得ら
れるとともに工具の寿命を延伸することができる。なお
砥粒としてダイヤモンドおよびＣＢＮを併用することに
より研削対象範囲を広くすることができる。

またマトリックスを形成する鉄基合金粉末の平均粒径を
、砥粒の平均粒径に対して１／３以下に調整しているた
め、潤滑材としての炭素粒および砥粒の支持材となる鉄
基合金粉末を、砥粒の周辺に均一に分散配置することが
できる。

したがって、研削加工時の潤滑機能が充分に発揮される
とともに、支持材としてのマトリックスの強度が充分確
保され、砥粒の脱落が抑制される結果、常に高い研削効
率を維持できる上に砥粒層の寿命を大幅に延伸させるこ
とができる。

（実施例） 次に本発明について以下に示す実施例を参照して、より
具体的に説明する。

実施例１〜３および比較例４〜６ まず実施例１〜３として、炭素３．０％，Ｓｉｔ％，残
部Ｆｅから成り、平均粒径が１５μｍである鉄基合金粉
末を通常の溶湯噴霧法によって調製した。次に第１表に
示すように得られた合金粉末に対して、スタンプ法によ
り、加工度をそれぞれ５％，１０％，１５％に設定して
塑性変形加工を施した。

次に加工処理を行なった鉄基合金粉末８０重量％に対し
て平均粒径５０μｍのダイヤモンド砥粒を２０重量％を
均一に混合した。さらに上記組成の混合物を外径８０閣
、内径１５ｍｍの金型空間に充填し、真空中でホットプ
レス法により焼結を行なった。焼結操作は、２５０ｋｇ
／ｃｄの加圧力を作用させた状態で８５０℃に昇温し、
３０分間保持した後に加工を施し、幅１０−のダイヤモ
ンド工具を形威した。

また比較例４〜６として実施例１〜３と同一の合金組成
を有する原料を使用し、塑性変形加工度を２％に設定し
たもの（比較例４）および塑性変形加工を全く行なわず
に実施例１〜３と同様な条件で焼結処理を行なったもの
（比較例５）および従来の焼結条件である加圧力４　０
　０　ｋｇ／ｃｆ，温度９００℃で１時間焼結したもの
（比較例６）を加工して外径８０閣、内径１５ｍｍ，幅
１０闘のダイヤモンド工具とした。

こうして得られた実施例１〜３および比較例４〜６のダ
イヤモンド工具を使用してビッカース硬度ｌ７００のＳ
ｉ３Ｎ４の研削加工を行なった。

研削加工条件は、回転数３０００ｒｐｍ，送り速度５ｍ
／ｍｉｎ，研削幅１０肺、切込み深さは、０．２５＋ｏ
＋に設定した。

こうして得られた研削試験結果を第１表の実施例１〜３
、比較例４〜６に対応する右欄に示す。

ここで第１表に示す研削比は、砥石損耗量に対する被研
削材の除去量の比で表わしている。

第１表の結果からわかるように予め５％以上の加工度で
塑性変形加工を施した合金粉末を使用した実施例１〜３
のダイヤモンド砥石は、塑性変形加工を実施しない比較
例５と比べて研削面の仕上りが良好であり、また研削比
がいずれも高く、長寿命を有することがわかる。

また従来例を示す比較例６と比較して、焼結時の加圧力
、温度が低く、焼結時間も短いにも拘らず、ほぼ同等の
研削特性が得られている。すなわち小さい加圧力および
低温度で短時間に焼結することが可能となり、工具の生
産効率を大幅に向上させることができる。

一方比較例４に示すように加工度が２％の場合は、合金
粉末表面の活性度の高まりが十分でなく、焼結性が低く
なるため、実施例１〜３の場合と比較して研削比が低下
する。

実施例７〜８および比較例９ 次に実施例７〜８として、炭素２．５％、Ｎｉ１．０％
、Ｃｏ０．５％、残部Ｆｅから成り、平均粒径が２５μ
ｍの合金粉末を溶湯噴霧法により調製し、得られた合金
粉末に対して第１表に示すように粉体圧延法によって加
工度がそれぞれ１０％，２０％となるように、塑性変形
加工を施し、活性度の高い合金粉末を得た。

次に塑性変形加工を行なった合金粉末８０重量％に対し
て平均粒径８８μｍのＣＢＮを２０重量％の割合で加え
、均一に混合した混合物を、前記実施例１〜３と同様な
焼結加工条件で焼結し、外径８０肛、内径１５ｍｍ、幅
１０ｍｍのＣＢＮ砥石を形成した。

また比較例９として実施例７〜８と同一の合金組成を有
し、塑性変形加工を実施しない合金粉末とＣＢＮ砥粒と
を均一に混合し、実施例７〜８と同一条件で焼結加工し
て同一形状・寸法のＣＢＮ砥石を形成した。

上記実施例７〜８および比較例９によって得られたＣＢ
Ｎ砥石を使用して、実施例１〜３と同様な加工条件で超
硬合金の研削加工を実施して研削比を測定し、塑性変形
加工の実施の有無が研削特性に及ぼす影響を調査した。

研削試験結果は第１表の対応する右欄に示す。

第１表の結果から理解されるように、ＣＢＮ砥粒を使用
した場合においても、塑性変形加工を行なった合金粉末
を使用した実施例７〜８の方が、加工しない比較例９よ
りも研削比が優れており、研削面粗さも小さかった。

実施例１０〜１１および比較例１２〜１４次に実施例１
０〜１１は、炭素３．５％、Ｎｉ２％、Ｃｏｌ％、残部
鉄から成り、平均粒径をそれぞれ６，１５μｍに調製し
た合金粉末に対してスタンプ法により加工度１０％の塑
性変形加工を施したものである。塑性変形加工により活
性化した合金粉末７５重量％に対して、砥粒としてダイ
ヤモンド砥粒（平均粒径５５μｍ）およびＣＢＮ砥粒（
平均粒径５５μｍ）を重量比９：１の割合、すなわちそ
れぞれ２２、５重量％、２．５重量％ずつ混合し、得ら
れた混合粉末を、加圧力３５０ｋｇ／ｃａｒ，温度９０
０℃において３０分間焼結した後、加工を施して、ダイ
ヤモンドＣＢＮ複合砥石を形成したものである。

また比較例１２〜１４は、実施例１０〜１ｌと同一の合
金組成を有し、同一の加工度によって塑性変形を加えた
合金粉末の平均粒径を２５〜９０μｍの範囲で変え、砥
粒の平均粒径（５５μｍ）に対する粒径比を０．４５〜
１．６４まで変化させてその研削性能に及ぼす影響を調
査した。　実施例１０〜１１および比較例１２〜１４Ｔ
：．得られたダイヤモンドＣＢＮ複合砥石を使用して、
実施例１〜３と同様な加工条件でＳｉ３Ｎ４の研削加工
試験を実施したところ下記第１表の右欄に示す結果を得
た。

〔以下余白〕

第１表の結果からわかるようにダイヤモンド砥粒とＣＢ
Ｎ砥粒との混合砥粒を使用し、合金粉末の粒径を砥粒の
平均粒径の１／３以下に設定した実施例１０〜１１にお
いては、良好な加工仕上げを行なうことが可能であり、
高い研削比を確保することができる。

しかし比較例１２〜１４で示すように、マトリックスと
なる金属粉末の平均粒径が砥粒の平均粒径の１／３を超
える場合は、砥粒の脱落が増加し、研削比が逆に低下す
る。したがってマトリックスを構成する金属粉末の平均
粒径は砥粒の平均粒径の１／３以下に設定することが必
要となる。

〔発明の効果〕

以上説明の通り本発明に係るメタルボンドエ具の製造方
法によれば、焼結体を形成する鉄基合金粉末に予め塑性
変形加工を施して加工ひずみを生起せしめ、合金粉末表
面の活性を高めているため、焼結性が大幅に向上する。

そのため塑性変形加工を施さない従来の製造方法と比較
して、威形焼結工程における加圧力および焼結温度を大
幅に低減することが可能となり、使用する成形用金型の
寿命を著しく延伸することができる。

また焼結を完結させるために必要な時間も短縮すること
が可能となり、工具の製造効率を向上させることができ
る。さらに、低温焼結となるため、マトリックス材と砥
粒との過剰な界面反応が起こりにくい。また焼結後の焼
き縮みや脹れによる寸法変化が少なく、工具としてのツ
ルーイングやドレッシング作業を省略したり、著しく簡
素化することができる。

また、マトリックスを形或する金属粉末と、ダイヤモン
ドおよびＣＢＨの少な《とも一方から成る高硬度の砥粒
とを焼結によって強固に結合して砥粒層を形威している
ため、砥粒の保持力が大きく、良好な研削仕上面が得ら
れるとともに工具の寿命を延伸することができる。なお
砥粒としてダイヤモンドおよびＣＢＮを併用することに
より研削対象範囲を広くすることができる。

またマトリックスを形成する鉄基合金粉末の平均粒径を
、砥粒の平均粒径に対して１／３以下に調整しているた
め、潤滑材としての炭素粒および砥粒の支持材となる鉄
基合金粉末を、砥粒の周辺に均一に分散配置することが
できる。

したがって、研削加工時の潤滑機能が充分に発揮される
とともに、支持材としてのマトリックスの強度が充分確
保され、砥粒の脱落が抑制される結果、研削比が充分に
大きく、常に高い研削効率を維持できる上に砥粒層の寿
命を大幅に延伸させることができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、炭素を含有する鉄基合金粉末と砥粒との焼結体から
   成る砥粒層を備えたメタルボンド工具の製造方法におい
   て、原料となる鉄基合金粉末に対して予め加工度５％以
   上の塑性変形加工を施し、しかる後に鉄基合金粉末と砥
   粒との混合物を圧縮成形し一体に焼結して砥粒層を形成
   することを特徴とするメタルボンド工具の製造方法。 ２、合金粉末の平均粒径は砥粒の平均粒径の１／３以下
   に設定した請求項１記載のメタルボンド工具の製造方法
   。 ３、砥粒としてダイヤモンドおよび立方晶窒化硼素の少
   なくとも１種を用いることを特徴とする請求項１記載の
   メタルボンド工具の製造方法。